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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 功能材料 » 设计与制备 » 仿生产品不断涌现，纳米技术成为助推剂
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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任

[交流] 仿生产品不断涌现，纳米技术成为助推剂 已有14人参与

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2012/05/28 00:00






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1楼 2012-05-28 08:31:29
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talon5

木虫 (正式写手)

壮士
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
LZ辛苦了
MARK一下，留着慢慢看
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Tell me not in a mournful numbers, life is but an empty dream!
9楼2012-05-31 10:15:29
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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任
蝴蝶与风扇：夏普积极利用生物功能，寻求与机械不同的解决方案
2012/05/29 00:00


　　【日经BP社报道】“研究产品所需要的功能时，考察了在相同领域具有出色功能的生物，并融入了关键要素”。

　　夏普健康环境系统业务本部核心技术开发中心第二开发室主任研究员大塚雅生如此说道。该公司连续推出了模仿信天翁、山鹰、小猫及蝴蝶等生物特点来提高功能的白色家电。从2008年上市的空调到2012年4月发布的风扇，采用仿生技术的实例已达到5个，共推出了9款商品（表）。




秘密在凹入部分

　　夏普的最新仿生产品是以均匀舒适的送风为卖点的风扇（2012年5月上市）。一般来说，要产生均匀柔和的风，需要增加叶片数量。但存在会导致送风效率及静音性降低的问题。新产品需要解决的难题是，消除这种此消彼长（Trade-off）的关系，实现舒适、安静以及较高的效率。据说同在第二开发室的公文结从大塚那里听说这一要求后，立即想到了大绢斑蝶（图1）。


图1：大绢斑蝶
具备很高的滑翔能力，能以很少的振翅次数进行长距离飞行。其翅膀外周部分有凹入部分。


　　大绢斑蝶是生活在日本的蝴蝶中唯一迁徙的蝶种。要在本州和台湾之间飞翔2000多公里，每天的飞行距离超过200km。而且，这种蝴蝶很少拍打翅膀，总是在空中滑翔。新型风扇就是从这里获得了启发。如果将不扇动翅膀便可长距离飞行的原理用于风扇叶片，即便压力变动很小，也可充分送风。

　　一般来说，蝴蝶的翅膀基本呈平面，长宽比接近于1，形状与鸟类及蜻蜓等的细长翅膀完全不同。其中，大绢斑蝶的翅膀呈现出外沿中部附近凹入的独特形状。而且，还具有扇动翅膀时会在翅膀上产生起伏的特点。

　　于是，大塚与公文等人为风扇的叶片设计了凹入部分，并在叶片上再现了起伏形态。具体为叶片中央部大幅弯曲，并改变了根部和外周部的角度，同时还像大绢斑蝶的翅膀形状一样，在外周部设置了凹入部分（图2）。


图2：从大绢斑蝶获得启发的风扇叶片
新开发的7叶风扇的叶片（a）。模仿了大绢斑蝶拍打翅膀时的弯曲与外周部分的凹入（b）。


　　很喜欢动物的公文，不仅了解大绢斑蝶迁徙的习性，还知道这种蝴蝶振翅次数少、可滑翔进行长距离飞行。这些知识为产品带来了新的附加值。

可吹送强劲而集中的风

将大绢斑蝶的特点应用到风扇叶片后，在不降低送风效率的情况下，压力变化减少了65％，半径方向的风速分布不均降低到了原来的1/40。由于叶片弯曲，中心部附近相对于送风面大幅倾斜，中心部附近的送风能力提高，从而改善了径向风速不均。而外周部分因倾斜较小，送风十分柔和。

　　新风扇还减小了压力变动。凹入设计使单张叶片旋转方向的后半部分送风减弱。随后因为与下一叶片之间产生了多余空间，所以压力会呈阶梯型变化，“7枚叶片可产生相当于14枚叶片的柔和风”（公文）。

　　不仅如此。据夏普介绍，风会在直接吹向人体的低速旋转时（弱运转）扩散，而不会在需要作为循环风机发挥作用的高速旋转时（强运转）扩散，从而可吹向远处。弱运转时，从叶片背面到前面的涡流会在凹陷部分分离扩散，强运转时则不会分离，而会进入更内侧部位，因此能使风集中。

模仿信天翁

　　夏普之所以能够不断实现生物仿生技术的实用化，大塚的功劳不小。专业原本为航空力学的大塚，一直运用专业知识开发旨在实现空调节能化的气流控制技术。2006年还参与开发了达到业界最高节能水平的产品。“2007年前后，自己发现运用航空力学所能做到的事情已全部实现”（大塚）。

　　作为一名技术人员为下一步该做什么而愁眉不展时，大塚为了寻找与此前学习的机械原理的不同视角，抱着学习的态度参加了一个生物学会议。“全是些将鱼类及海豚等的习性应用于机器人的研究让人茅塞顿开”（大塚）。或许认为会获得与此前的知识完全不同的启发，从那之后大塚便连续参加各种生物学会。一天，大塚听了一场航空力学无法解释的蜻蜓及鸟类高效飞行的演讲，并由此想到将这一原理运用到自己公司的白色家电上。

　　最初开发的是模仿信天翁与山鹰的翅膀而设计的空调室外机用轴流风扇。大塚认为，可模仿拥有超群滑翔能力和长时间飞行能力的信天翁翅膀进行高效送风，模仿能在较强上升气流中稳定飞行的山鹰翅膀来降低噪声。

　　于是，大塚等人开发出了这样的叶片：模仿信天翁的翅膀，沿外周部分的旋转方向设计成了尖细的形状，并在相反的一端设置了从山鹰最长的羽毛获得启发的凸部（图3）*1。由此，使空调的送风效率最多提高到了1.4倍，噪声最多可降低10db*2。


图3：从鸟翅膀的形状获得启发的空调室外机用风扇叶片
外周部采用了与信天翁尖细形状与山鹰顶端分开的翅膀形状（第一列最长的羽毛）。中央附近模仿了鸟类的小翼羽（相当于拇指的弯曲处）的形状。


*1 此外，旋转轴附近还采用了绝大多数鸟类具有的“小翼羽”形状。具有可抑制中心部涡流剥离的效果，能够省去原来为防止剥离产生的逆流而设置的中央套筒（圆筒部分）。

*2 后来还开发出了从蜻蜓的翅膀获得启发的具有鳍片的横流风扇。蜻蜓的翅膀不是平面，而是呈之字形状。凹入部分会产生涡流，其外侧可产生稳定的层流。因此，夏普在弯曲的叶片单面（凹面）设置了像蜻蜓翅膀一样的凹凸。由此使效率提高到了原来的1.3倍，噪声减小了10db。该技术还被应用在了2011年上市的空气加湿净化器的多叶片式风扇上。

利用猫舌特性压缩垃圾


　　大塚及公文开发的并不仅仅是风扇和空调。除了开发出了模仿海豚尾鳍和表皮的洗衣机波轮之外，还在旋风吸尘器中运用了猫的智慧。

　　旋风吸尘器的课题是必须频繁除去尘杯（Dust Cup）中积存的垃圾，这项工作非常麻烦。虽然垃圾已在内部压缩，但因为会重新膨胀，几天后尘杯就会满。一般用户希望至少10天～两周内不必清除垃圾。

　　“那么，利用猫舌的原理怎么样？”猫会用舌头整理毛发，定期将胃中积存的毛发揉成团吐出。公文立即想到，可以模仿猫的粗糙舌头来解决吸尘器的问题。

　　在用来压缩垃圾的螺杆的最下层叶片表面，公文设置了很多模仿猫舌的细小三角形突起（图4）。这些突起在压缩垃圾时，不会造成阻力，而压缩的垃圾要膨胀时，突起则会抑制垃圾以防止其重新膨张。由此，可将吸入的垃圾压缩至1/10左右。因减轻了清除垃圾的麻烦，新型旋风吸尘器成了热销产品。


图4：从猫舌获得启发的旋风吸尘器的垃圾压缩用叶片
表面设有三角形突起。压缩时（旋转时）不会对垃圾造成阻力，但压缩的垃圾要膨胀时，就会挂住以防止其重新膨张。还可通过产生小涡流来获得捕集细小灰尘的效果。



从生物身上获得了很多启发

　　“最初，当我们提出模仿鸟的翅膀及海豚的背鳍形状的方案时，曾被视为奇思怪想”（大塚）。一开始夏普公司内部也曾将生物仿生技术视为异端，但旋风吸尘器获得成功后，仿生技术在公司内部的认知度获得提高，现在业务部门已开始向大塚等人征求多方面的建议了。

　　采用仿生技术时，产品化时间只有几个月到半年左右。首先确定模仿的生物，然后试制并反复实验。由此，可更加迅速地实现产品化

　　实现这一点的基础当然是大塚及公文二人对生物的深刻认识、见解以及出色的信息收集能力。据夏普介绍，两人一直通过参加生物学相关学会等，时刻收集信息，随时为满足业务部门提出的要求做好准备。尤其是公文，“获得的启发很多，不断会提出创意”，大塚也对其寄托了无限的信赖。

　　夏普表示，今后不仅限于动植物，还会在太阳及风等更加广泛的领域运用大自然的智慧。


■日文原文：機械系とは別の視点を求め、生物の優れた機能を積極採用
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2楼2012-05-29 08:36:43
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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任
金枪鱼与轮船涂料：灵感源于高速游泳，只需涂布燃效即可提高4％


　【日经BP社报道】据说大型金枪鱼在海洋中的游速能够达到80km/h（图1）。金枪鱼的体型的确属于游速快的流线形，但除此之外，应该还有其他能减少水的摩擦阻力的诀窍。有一款产品的问世正是源于这一思路。那就是日本立邦船舶涂料（总部：神户市）开发的防污船底涂料“LF-Sea”。


图1：在大海中畅游的金枪鱼
金枪鱼的速度据说高达80km/h。而且身体表面没有鱼鳞，而是覆盖着粘膜。


秘密在于表面的粘膜

　　不停高速游动的金枪鱼身上没有鱼鳞，其身体表面覆盖着黏滑的粘膜。虽然详情还不得而知，但有看法认为，在这种粘膜的作用下，处于湍流状态的边界层的摩擦阻力会减弱。其实，已经有研究表明，在液体中添加极少量的高分子之后，湍流的液体摩擦阻力将会减弱（汤姆斯效应），在金枪鱼的身体表面或许也属于同样的现象。

　　“因为从事的是船底涂料开发，我经常思考能不能从鱼和海洋生物中获得开发产品的灵感”，日本立邦船舶涂料技术本部执行董事山盛直树把目光瞄准了金枪鱼。船舶在航行时，接触海水的船底表面摩擦占了全部阻力的50～80％。按照山盛的想法，船舶如果能实现粘膜与海水的液液接触，而不是固体（船底）与海水直接接触，应该能减小阻力。

　　为此，山盛采用了在船底涂料中掺入亲水性高而且具有粘性的水凝胶，由此降低与水的摩擦的方法。水凝胶中桥联的高分子能够形成三维网眼够早，在网眼中存水。在日常生活之中，海带浓汤和琼脂也属于这一类。

　　如此一来，既不损害船底涂料防止藤壶等水生生物附着的根本目的，又能够减弱海水摩擦阻力的LF-Sea便应运而生。经确认，采用该涂料的轮渡能够节约燃耗3.4％左右（图2）。虽然只有区区3.4％，换算成燃料成本也能够节约1000万～2000万日元左右。因此，自从2008年投产以来，已经获得了600余艘船只的采用*1。


图2：喷涂了LF-Sea的汽车运输船和样品钢板
红色部分涂布了船底涂料（a）。从喷涂样品上可以看到表面上存在凹凸（b）。


*1　2010年荣获第7届环保产品大奖审查委员长特别奖。

反复尝试开发材料


在开发初期，在涂料中掺入水凝胶能够降低摩擦阻力的效果很快得到了确认。但防止水生物附着船底的涂料原本的功能却未能得到实现。船底涂料是通过缓慢溶出生物厌恶的防污剂防止水生生物附着的*2。但掺入水凝胶后，防污剂将与水凝胶一同溶出到了海水中，无法充分维持仿制水生物附着的效果。结果反而本末倒置。

*2　现在的防污剂主要是亚氧化铜。

　　于是，山盛通过反复尝试，对水凝胶的成分和配比进行了调整。通过与大阪大学名誉教授铃木敏夫、该校研究生院工学研究科地球综合工学专业教授户田保幸、神户大学研究生院海事化学研究科副教授矢野吉治合作研究，在着手开发大约3年后，发现了LF-Sea的关键材料水凝胶。

　　因为涉及企业机密，水凝胶的具体成分没有透露，从已知的信息推测，新开发的水凝胶粘性比当初使用的以藻酸为主体的水凝胶要低，吸收水分后不易膨胀，而且亲水性高*3。涂膜的厚度约为100μm，与过去的船底涂料一样具有半年左右的防污效果。

*3　为了取的稳定的效果，还降低了温度依赖性。

　　其实，LF-Sea的减阻原理并不完全清楚。按照最初的设想，其原理是像金枪鱼一样，由水凝胶层覆盖整个涂膜表面，借此减弱水流的阻力，但实际情况似乎并非如此。现在，山盛等人推测的原理如下。

　　船底的钢板表面原本就非常粗糙，再加上高压喷涂高粘度涂料，涂膜上存在着微细的凹凸。在航行时，表面凹部发生的微小漩涡是形成阻力的原因之一。

　　LF-Sea在浸泡海水后，涂膜中的水凝胶会吸收表面的海水，形成边界层（分水层）。在航行时，受到水流的作用，凸部的边界层会被削掉，但凹部会留下吸收的海水。这些海水填平了凹部，使得船体表面变得光滑，从而减弱了水流的阻力（图3）。


图3：LF-Sea的减阻效果
涂膜中的水凝胶在涂膜的凹部存水，使涂膜表面变得光滑。水流因此得以稳定，使阻力减弱。


　　过去也曾经有过减弱摩擦阻力的船底涂料“SPC”。这种涂料是利用水流冲刷掉涂膜的凸部，使涂膜变得光滑，从而减弱阻力的，LF-Sea也同样如此。LFSea在SPC的基础之上，让凹部还拥有分水层，因此表面粗糙度更小，能够得到更大的减阻效果。

目标是减少10％的燃耗

　　远洋船的二氧化碳（CO2）减排要求越来越严格。为此，日本政府正在开展技术开发事业“船舶CO2减排技术开发支援事业”*4。目标是把远洋船的二氧化碳排放量减少30％。也就是说，燃效必须提高30％。船底涂料是重要的手段之一，为了使燃效提高10％，目前正在开发新的低阻型船底涂料“A-LFSea”。

*4　始于2009年度的4年计划，由日本海事协会、日本造船技术中心、日本财团以及民营企业合作推动。

　　现在使用的水凝胶源于生物，而A-LF-Sea将采用化学合成的高保水材料。“水凝胶层更厚的话，阻力应该更小”（山盛）。按照计划，开发将争取在2012年度内结束，在今后进行实验。（记者：吉田 胜，《日经制造》）


■日文原文：高速遊泳のメカニズムにヒント，塗るだけで燃費を4％改善
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6楼2012-05-30 08:59:48
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yexuqing

木虫之王 (文学泰斗)

太阳系系主任

壁虎与胶带：强大吸附力在于壁虎脚掌绒毛，日东电工使用碳纳米管仿造



【日经BP社报道】2012年2月日东电工宣布，从壁虎脚掌获得启发的“壁虎胶带”已开始用于商业用途。可在墙壁及天花板等自由爬行的壁虎的脚掌，不仅具备可用一根脚趾支撑自身体重的强大吸附力，还可在爬行时轻松离开物体表面。而且不会留下粘液等痕迹。如果能够人工制造具备这种黏附特性的胶带产品，使用起来会很方便。怀着这种期待，世界各地的大学、研究机构及企业等纷纷着手开发壁虎胶带，而日东电工领先于其他国家的企业率先实现了这种胶带的产品化。

　　日东电工开发的壁虎胶带以100亿根/cm2的密度密集地排列了直径数n～数十nm的碳纳米管（CNT）。剪切方向的粘合力出色，面积仅1cm2左右的胶带可保持500g的粘合力（图1）。揭下时可轻松剥离，还能反复使用。不会像传统胶带一样留下粘合剂。而且，可在-150～500℃的大温度范围内使用。利用这一特性，该公司的关联公司已开始将其用作分析试料的固定胶带。据日东电工介绍，目标是2015年开始对外销售*1。

*1　据该公司介绍，目前壁虎胶带的剪切粘接强度为45N/cm2，虽然比壁虎的55N/cm2、普通胶带的60N/cm2稍逊一筹，但作为实用胶带使用已经足够。


图1：壁虎胶带终于实现
1cm2左右的胶带可支撑500g的重量（a）。还可制造没有基板的双面胶（b）。


解开长期未解之谜

　　其实，“最近100年来，人们对壁虎具有强大吸附力的原理一直众说纷纭，是一个长期未解之谜”（日东电工研究开发本部新计划探索部主任研究员前野洋平）。直到2000年前后谜底才被揭开。在电子显微镜下观察壁虎的脚尖，发现脚掌上以10万～100万根/cm2的密度生长着极细的绒毛，而每根绒毛顶端又生有100～1000根左右的分支。顶端分出的细毛密度达到了10亿根/cm2以上。因为每根细毛都可以紧贴在对象物上，因此二者之间可产生范德华力*2，从而能够粘在一起（图2）。

*2　范德华力：原子及分子之间等的相互吸引力。与距离的6次方成反比。


图2：壁虎脚尖的构造
壁虎爪乍看上去好像只有细褶（a）。在电子显微镜下放大，发现密集地生长着非常细的绒毛（b）。进一步放大，可以看到顶端有更细的分支（c）


　　一般的胶带也是利用范德华力粘合的，与壁虎胶带的原理相同。但范德华力必须在分子之间靠得极近时才能发挥作用，普通物体之间因表面粗糙造成的妨碍而无法紧贴在一起。

　　因此，普通胶带需要在粘合对象物与胶带之间填充弹性模量较低的粘合剂。也就是说，通过浸润的方法，使范德华力发挥作用。但使用这种粘合剂的胶带存在很难剥离、剥离时会留下粘合剂以及高温下特性降低等问题。壁虎胶带作为可解决这些问题的产品而备受期待。

　　壁虎脚底的绒毛由名为β角质的物质构成，其杨氏模量为109Pa，比普通胶带（104～105 Pa）还要高。但其微细构造会使表面弹性模量降低，因此可嵌入物质表面的凹凸部分发挥粘合力。

　　“发现壁虎脚底的构造非常关键”（前野）。壁虎胶带就是模仿这种微细构造开发的。也就是说，并未采用以原来的粘合剂弹性模量来控制粘合力的方法，而是采用了通过改进构造来控制粘合力的新方法。

具有重要意义的分支构造



　将胶带作为主营业务的日东电工开发壁虎胶带，可以说是一个非常自然的过程。该公司将前野派往当时走在研究最前沿的美国加州大学伯克利分校。前野在那里学习了粘合理论。

　　其实，前野最初曾在该校以聚酰亚胺纤维仿造了壁虎绒毛顶端部细毛密集的构造。但研究的进展并不顺利。纤维之间因存在范德华力而凝聚，无法实现粘合功能。壁虎脚尖的绒毛之所以光是顶端部生有细小的分支，就是为了防止凝聚。

　　那么形成胶带时如何解决这个问题？防止绒毛凝聚的方法大致有两种。一种是仿造与壁虎一样的层次分支构造。另一种是使用高刚性材料代替分支构造来防止凝聚。

　　日东电工采用了构造简单的后者，与大阪大学研究生院工学研究系机械工学专业教授中山喜万等人合作，开发出了CNT像壁虎绒毛一样排列的胶带（图3）。CNT的直径极小，可实现较高的深宽比及高刚性，是一种非常适合第二种方法的材料。在经过微细加工的基板上控制CNT的生成条件，便可使其朝着一个方向生长。该公司将其嵌入熔融状态的聚丙烯（pp）基板，形成了胶带状。


图3：壁虎胶带的电子显微镜图片
细毛状物体是CNT。仿造了壁虎的脚掌。




　　尽管详情未予公开，但日东电工称采用了长度为1mm左右的单壁或多层CNT。目前，还能制造没有PP基板的双面胶，有望用于固定载玻片等用途。

课题是量产与价格

　　但因这种胶带使用CNT，所以存在价格高且很难大量供应的难点。目前只能作为分析试料的固定胶带使用也是因为这个原因。日东电工认为，该产品可发挥能在高温及真空等严酷环境下反复使用、不会弄脏粘合对象的特性*3。今后，将打算在提高量产技术并降低成本后，对外销售。

*3　据日东电工介绍，粘合时也需要技术诀窍。目前只限于在集团企业内使用估计也是因为考虑到了这个原因。


■日文原文：?姢そ幼帕Δ卧搐献悚窝Yの毛、再現にカーボン·ナノチューブ使う
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7楼2012-05-31 08:47:59
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